WLAN隐藏节点问题研究.doc

WLAN隐藏节点问题研究摘要：隐藏节点会导致网络吞吐量下降50%-60%。本文分析了容易出现隐藏节点问题的典型场景，明确了相关注意问题和规避措施。关键词： CSMA/CA 隐藏节点 RTS/CTS1 引言随着数据业务需求的爆发式增长及智能终端的普及，WLAN以其快速、便利性，深受用户及运营商青睐。WLAN网络规模不断扩大，目前，主要覆盖校园、居民区、商场、酒店等区域。802.11使用的是时分复用机制，某一时刻只有一个终端或AP在发送数据，此时，其他终端和AP均处于空闲监听状态。这就要求同频AP间或同一AP不同终端间，能够监听到对方状态，从而避免同一时间发起数据传输请求造成的冲突。但是，在建设过程中，由于AP覆盖范围过大或建筑物阻挡，AP或终端间可能无法监听到对方状态，这就是“隐藏节点”问题。2 产生原因及典型场景802.11是IEEE制定的无线局域网标准，同一信道某一时刻只有一个终端或AP在发送数据，AP或终端均依靠CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免）机制来探测、监听、抢占信道。该机制发挥作用的前提，是终端或AP能监听到信道占用情况，否则会因为同时发送数据产生冲突而导致无法解码，即“隐藏节点”问题。当AP/终端间互相不可见时，无法使用802.11协议中MAC的监听机制，AP/终端间无法侦测由于对方行为而出现的信道占用，造成不同AP/终端在同一时间向同一信道发送数据，导致干扰区内的碰撞率急剧上升，网络的整体吞吐量急剧下降，仅为6.5Mbps左右。802.11协议定义了RTS/CTS机制来解决隐藏节点冲突问题。802.11定义中，AP承担起信号传递的作用。在这种机制下，终端抢占到信道后，首先向接收方发送RTS报文，接收方会回应CTS，因为AP回应报文的无线信号会覆盖到BSS下的所有终端。RTS/CTS报文中都包含信道被占用的时间，协议规定接收到RTS和CTS的终端必须在RTS/CTS报文中要求的时间内认为信道忙、不能发送数据，从而解决了隐藏节点问题。但在实际应用中，802.11协议将是否使用RTS/CTS门限的权力下放给每个终端，由终端自己决定是否使用这个机制。而在实际使用中，用户很少会去配置这个功能，因此RTS/CTS实际效用不大。很多电脑缺省设置为不采用。2.1 AP/终端间不可见示例（1）同一AP下的终端间不可见同一AP所带两个天线分别覆盖两个区域，两个区域内关联的终端由于距离较远或者屏蔽较重而互相监测不到信号收发，终端1在向AP发送数据的时，终端2也可能因为监测不到终端1的发射信号而同时向AP发送数据，这时在AP侧接收无线信号便形成冲突。如图1所示。图1 同一AP下终端不可见（2）同频不可见AP间存在重叠覆盖同频AP间因连接定向天线或者阻挡不能监测彼此信号，且存在交叉覆盖范围时，在交叉覆盖范围内有终端上网时，同频AP也互为隐藏节点。两个AP存在交叉覆盖区域，但AP间无法监测到彼此的信号，即监测部件（天线）不在另一AP的覆盖区域内，在交叉覆盖区域内存在用户时，AP因为无法监测另一个AP的信号发送情况而同时向终端发送数据，在终端侧形成冲突。如图2所示。 图2 同频不可见AP存在重叠覆盖2.2隐藏节点典型场景2.2.1室内分布式系统终端不可见场景分析现网采用分布式系统的一些热点中，一个AP覆盖范围可达1至2个楼面（甚至更多）。由于距离过远或者信号阻挡，与AP关联的终端之间有时候不能正常检测到其他终端发出的信息。平层所有房间均使用同一个AP信号，距离过远房间内的终端间容易因房间墙壁阻挡而互相监测不到信号，不可见终端同时上网时便会产生大量冲突，影响整个网络的性能。2.2.2大型场馆内同频AP不可见场景分析在一些大型场馆中，WLAN的频率复用度高。当工作信道重叠（同频）的两个AP存在交叠覆盖区域，而两个AP无法侦测由于对方行为所带来的信道占用时，网络的整体性能就会急剧下降，处于交叠干扰区内的终端通讯会受到严重干扰。如图3所示。图3大型场馆内同频不可见场景2.2.3室外覆盖情况下同频不可见场景分析现网的小区覆盖中，同一AP连接多副天线，覆盖范围过大时，会造成终端间距离过远，受到墙壁、楼板阻挡后，相互间容易监测不到信号，同时上网时会造成AP侧信息冲突，影响整个网络性能。如图4-6所示。 图4单个AP覆盖对面整栋楼 图5同一AP覆盖两侧楼宇 图6覆盖范围包含多个建筑物3 影响分析在小型、不太活跃、只有几部客户端共享一个接入点的网络里，很少会有同时进行传输的情况。而在比较大型的网络环境里，由于覆盖范围内有相当密集的接入点，所以隐藏节点的存在对于实际应用就有很大影响。在一些高密度覆盖场所，单个AP下活跃用户超过12个时，会出现一些无线终端业务几乎无法使用的情况，甚至表现为无法连接问题。通过测试，当两台终端间距离超过3道水泥墙壁或3个楼层，或两台终端位于不同楼宇时，两台终端就基本不可见。如表1所示。5M10M15M20M25M30M同一楼层信号强度-38-43-46-48-49-532F信号强度-69-71-73-75-78-803F信号强度-83-85-88-90-92无信号4F信号强度无信号无信号无信号无信号无信号无信号5F信号强度无信号无信号无信号无信号无信号无信号6F信号强度无信号无信号无信号无信号无信号无信号楼域外信号强度-81-83-85-88-90无信号表1 终端可见性测试注：测试时将一台笔记本作为信号源，设置固定SSID，由近及远地使用另一台笔记本进行测试。两个相邻AP的工作信道相同，当两个AP处于全重叠覆盖状态（如图7所示）时，相互间能够侦测对方的行为，此时二者以自由竞争形式占用信道，干扰区内发生的碰撞现象较少；当两个AP处于半重叠覆盖状态时，则无法使用802.11协议中MAC的监听机制，AP间无法侦测由于对方行为而出现的信道占用，导致AP在同一时间向同一信道发送数据，造成干扰区内的碰撞率急剧上升，网络的整体吞吐量急剧下降。 图7全重叠覆盖AP1与AP2处于半重叠覆盖状态（如图8所示），工作模式设定为802.11g模式，工作频点设定为11，终端a与终端b处于干扰区。图8半重叠覆盖 测试中，改变AP2的物理位置，使AP1与AP2由半重叠覆盖状态转变为全重叠覆盖状态，测试网络的整体吞吐量。（AP1在终端a处的信号电平为-60dBm，AP2在终端b处的信号电平为-60dBm。）当两个AP处于半重叠覆盖状态时，干扰对网络的影响最大，网络的整体吞吐量仅为6.5Mbps左右。而当两个AP的位置处于全重叠覆盖状态时，借助于MAC层的监听机制，网络的整体吞吐量上升至13.2Mbps左右。由此可见，AP间同频不可见对网络性能的影响远远大于同频可见情况。隐藏节点会导致网络吞吐量下降50-60%。4 解决方案建议开启RTS/CTS功能，或者控制AP覆盖范围以解决“隐藏节点”问题。RTS/CTS协议的原理如图9所示.图9 RTS/CTS协议原理图如终端1欲向AP发送数据，必先发送RTS帧提醒AP，随后AP应答CTS，阻止在AP覆盖范围内的所有站点发送数据（但不包括终端1）。当终端2收到CTS后，不再向B发送数据而避免了冲突，即：在AP周围的所有终端中，只有终端1能发送数据，这样就有效避免了隐藏节点的问题。但如果这个隐藏节点在网络吞吐量上拥有较小的冲突，那么激活RTS/CTS可能会对吞吐量造成负面影响。所以，除非怀疑无线单元内含有隐藏结点，否则对于大多数网络不需要启用RTS/CTS或应谨慎设置RTS/CTS阀值。如果设置为2347（默认设置），则将禁用RTS/CTS机制。如果设置为0，RTS/CTS机制将应用于所有的数据包。如果设置为02347之间的某个值，访问点将对大于或等于指定大小的数据包使用RTS/CTS机制。从同频不可见的典型场景可以看出，造成同频不可见的原因主要是AP的覆盖范围过大，特别是采用室外覆盖时，AP覆盖范围的广泛性直接造成大量的同频不可见状况。对于室内覆盖，建议将容量作为首要考虑因素。大型场馆内应缩小干扰AP的覆盖范围，牺牲少量的覆盖范围以换取整体网络性能的上升；采用分布系统的，应控制单AP覆盖范围，杜绝单AP跨楼覆盖现象。对于室外覆盖，应尽量缩小AP的覆盖范围，控制小区覆盖中同一AP所带天线覆盖多个楼宇的现象(楼顶1个AP带2个天线覆盖2个楼，路灯杆覆盖前、后两栋楼），基站类覆盖方式则应控制AP带的天线个数。在同一室外区域部署多张WLAN网络时，应充分协调频率和覆盖范围，降低AP发射功率，调整AP的天线方向角、俯仰角，以避免同频AP交叉覆盖。从以上分析可知，造成隐藏节点的原因主要是AP覆盖范围过大，因此应合理控制AP覆盖范围。相关建议如下：（1） 控制单AP覆盖范围，保证覆盖范围内终端互相可见；（2） 对于室内覆盖，杜绝